磨料水射流切割技術起步較晚但發展非常迅速，現已在許多工業切割領域取代傳統切割方式[1-2]。因 其具有高效、衛生、安全的特點，在石油天然氣行業應用日益廣泛[3-4]。與前混磨料水射流相比，后混磨料 水射流切割設備在應急搶修切割作業中獨具優勢，如操作簡單、可連續供砂切割[5-6]等。應用磨料水射流 切割油氣儲存和運輸設備，切割深度受多種工藝參數的影響。為正確選擇切割工藝參數，達到快速高效 應急切割的目的，需要對油氣設備主要材料進行切割試驗研究。本文選擇油氣設備常用的Q235鋼，設計 磨料水射流切割性能基礎試驗，探究各種工藝參數對Q235鋼切割深度的影響規律
試驗部分
1.1 試驗設備
采用HSQ4020S五軸龍門水切割機。高壓水發生器產生高壓水， 通過極細口徑的寶石水噴嘴進入混合腔，產生負壓吸入磨料[7]，混合之后由砂管噴出，對材料進行切割。后混噴嘴結構如圖1所示，試驗切割平臺如圖2所示，利用數控工作臺可以精確改變橫移速度、靶距和泵 壓等參數。
1.2 試驗參數
選用工業上常用的石榴石作磨料，主要粒徑有60，80，120目3種。莫氏硬度為 7.5，努氏硬度為 1 350， 磨料密度為3.5 g/cm3。后混噴嘴砂管為標準配件，選用3種不同直徑的砂管，分別為 0.8，1.0，1.5 mm。選用 油氣儲存運輸常用的Q235鋼作為切割材料，其力學性能如表1所示。試驗過程中，保持磨料閥開度不變，調 節泵壓、橫移速度、靶距和入射角等參數，另外可以實現手動更換砂管以及磨料。
1.3 切槽樣件
圖3為Q235鋼切割后的樣件。用游標卡尺精確測量切縫深度，每個切縫測量3次取平均值。
2 試驗結果與分析
2.1 泵壓對切割深度的影響
在泵機組常用壓力范圍內，選擇150，200，250，300 MPa共4個泵壓值進行試驗。磨料為80目石榴石， 砂管直徑為1.0 mm，靶距為4 mm，橫移速度為100 mm/min。繪制切割深度與泵壓關系散點圖，并用線性 關系式進行擬合，如圖4所示。 由圖4可以看出，切割深度與泵壓之間存在非常明顯的線性關系。隨泵壓增大，水流速度和磨料速度 相應增大[8-9]，對材料的磨削作用增強，因此切割深度增大。泵壓為300 MPa時切割深度約為20 mm，能夠 滿足大部分油氣設備的切割要求。
2.2 入射角對切割深度的影響
五軸聯動后混磨料水射流切割設備可以實現對材料的傾角切割。為探究不同入射角下的切割性能， 將垂直切割時的入射角定為90°，取噴嘴前進方向與噴嘴出口射流的夾角為入射角，如圖5所示。根據設 備性能，在60°～125°內每隔5°進行一次試驗。靶距為4 mm，磨料為80目石榴石，砂管直徑為1.0 mm，橫移速度為100 mm/min，切割深度與入射角關系如圖6所示。
由圖6可以看出，在60°～125°隨入射角的增大切割深度先增大后減小，即存在一個最佳入射角使得 切割深度最大，試驗條件下最佳入射角為105°。入射角小于90°時，切縫里的水和磨料不能及時排除，堆 積在切縫中，抵消了后續磨料射流的能量，水墊作用明顯，切割效果減弱；入射角度大于90°時，適當的角 度傾斜使得水墊作用減弱，消弱了反擊沖擊波和膨脹波的影響[10]，提高了切割深度，到105°時切割深度達 到最大。繼續增大入射角，高速射流束對材料垂直方向的撞擊磨削作用減弱[11]，能量順切縫流失變多，切 割深度開始減小。
2.3 磨料粒徑對切割深度的影響
橫移速度為100 mm/min，靶距為4 mm，砂管直徑為1.0 mm，依次選用60，80，120目石榴石作磨料，研 究磨料粒徑對切割深度的影響。繪制不同磨料粒徑切割深度與泵壓關系曲線，如圖7所示。
對比3種不同粒徑磨料切割深度可以看出，80目磨料切割效果最佳，其次為120目，再次為60目。磨 料被卷吸入混合腔后，在混合腔內與水混合，一方面受水的牽引加速，一方面又在不斷地相互碰撞消耗能 量。磨料粒徑過小，相應磨料動能小，而磨料水射流沖蝕作用主要靠磨料，故導致其沖蝕材料的性能下 降；磨料粒徑過大，粒子在混合腔內發生碰撞和磨損的幾率增加，容易使粒子的能量發生損耗，導致切割 性能下降。試驗條件下存在最佳磨料粒徑，即80目。
2.4 砂管直徑對切割深度的影響
橫移速度為100 mm/min，靶距為4 mm，磨料為80目石榴石，依次選用直徑為0.8，1.0，1.5 mm的砂管， 研究砂管直徑對切割深度的影響。繪制不同砂管直徑切割深度與泵壓關系曲線，如圖8所示。 對比3種不同直徑砂管切割深度可以看出，1.0 mm直徑砂管切割效果最佳，其次為1.5 mm，再次為 0.8 mm。1.5 mm直徑砂管切縫明顯大于其他2種砂管的切縫，從而大大分散了能量，降低了切割深度；0.8 mm 砂管由于空間狹小，磨料在砂管中運動時相互碰撞幾率大大增加，導致磨料的速度下降，影響了切割效 果。試驗條件下存在最佳砂管直徑，即1.0 mm。
2.5 橫移速度對切割深度的影響 靶距為4 mm，磨料為80目石榴石，砂管直徑為1.0 mm，橫移速度依次選擇100，150，200，250 mm/min， 繪制不同泵壓切割深度與橫移速度關系曲線，如圖9所示。
2.6 靶距對切割深度的影響
橫移速度為100 mm/min，磨料為80目石榴石，砂管直徑為1.0 mm，依次選擇切割靶距為1，2，4，6，10， 15 mm。繪制不同泵壓切割深度與靶距關系曲線，如圖10所示。 由圖10可以看出，隨靶距增大切割深度先在一個范圍內微弱增大，存在一個最佳靶距使得切割深度 最大，且最佳靶距不隨壓力的變化而變化，約為4 mm。當靶距超過最佳靶后，切割深度急劇減小，進一步 增大靶距，減小趨于緩慢。磨料被高速水流裹挾，在噴嘴出口處仍在繼續加速[12]，一定的靶距使得磨料水 射流達到最佳切割效果。在切割實踐中發現，隨靶距增大切縫寬度增加，使得射流能量更多的用來增加 縫寬，分散了增加切深的能量，故切割深度減小。
3 結 論 本文通過大量試驗得到了高壓磨料水射流切割Q235鋼過程中各工藝參數對切割深度的影響規律， 主要有以下結論： 1）其他參數一定，切割深度隨泵壓增大而增大，且大體呈線性關系；切割深度隨橫移速度增大而減 小，且減小趨于緩慢。 2）試驗條件下，靶距、磨料粒徑和砂管直徑均分別存在最佳選擇使得切割深度最大，其中靶距為4 mm， 磨料為80目，砂管直徑為1.0 mm。 3）一定的角度傾斜可以增大切割深度，試驗條件下入射角為105°左右時，切割深度達到最大。
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